低扭曲手性液晶偏振光栅和相关制造方法与流程

低扭曲手性液晶偏振光栅和相关制造方法本申请是申请号为200880012154.5、申请日为2008年4月16日、发明名称为“低扭曲手性液晶偏振光栅和相关制造方法”的申请的分案申请。优先权要求本申请要求2007年4月16日提交的题目为“Low-TwistChiralLiquidCrystalPolarizationGratingsandRelatedFabricationMethods”的美国临时专利申请No.60/912,044的优先权，在此通过引用并入其全部内容作为参考。技术领域本发明涉及偏振光栅，并且更具体地说涉及液晶偏振光栅和相关制造方法。

背景技术：
液晶可以包括其中存在有序排列的分子的液体。通常，液晶（LC）分子可以是各向异性的，具有细长（杆状）或扁平（圆盘状）形状。由于所述各向异性分子的排序，大量液晶经常在它的物理特性上显示出各向异性，例如在它的机械、电、和/或光学特性上的各向异性。由于所述杆状或圆盘状性质，LC分子的取向分布可以在光学应用中，例如在液晶显示器（LCD）中起重要作用。在这些应用中，LC对准可以由对准表面指示。可以处理对准表面使得所述LC相对于所述表面以可预测和可控制的方式对准。在许多情形下，对准表面可以通过LC装置确保单畴（singledomain）。在缺乏已处理的表面的情况下，LC可能具有许多畴和/或许多取向不连续。在光学应用中，这些畴和不连续可能引起光的散射，导致显示器性能的退化。偏振光栅可以用来周期性地影响通过其传播的光的局部偏振状态（与常规光栅中影响相位或幅度相反）。例如，可转换的液晶偏振光栅（LCPG）可以用来实施强度调制器，所述强度调制器可以对非偏振光起作用。更具体地，例如在包括投影显示器和光闸的应用中，这种可转换的LCPG可以用来实现具有相对狭窄的带宽的非偏振光（例如激光）的相对高的对比度调制。例如，一些常规LCPG可以调制具有小于5％的带宽的零阶光中具有大于大约200：1的对比率的光。然而，常规LCPG在被用来调制宽带光（例如来自LD）时其对比度调制可能退化，这在许多应用中是重要的。

技术实现要素：
根据本发明的一些实施例，偏振光栅包括衬底和所述衬底上的第一偏振光栅层。所述第一偏振光栅层包括分子结构，所述分子结构在所述第一偏振光栅层的对立面之间限定的第一厚度上根据第一扭曲方向（sense）被扭曲。在一些实施例中，所述第一偏振光栅层的分子各自的相对取向在所述第一厚度上可以被旋转第一扭曲角使得所述第一偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第一厚度上可以具有连续可变的相移。而且，所述衬底可以是反射衬底。在其它实施例中，偏振光栅可以进一步包括在所述第一偏振光栅层上的第二偏振光栅层。所述第二偏振光栅层可以包括分子结构，所述分子结构在所述第二偏振光栅层的对立面之间限定的第二厚度上根据与所述第一扭曲方向相反的第二扭曲方向被扭曲。特别地，所述第一偏振光栅层的分子各自的相对取向在所述第一厚度上可以被旋转第一扭曲角，并且所述第二偏振光栅层的分子各自的相对取向在所述第二厚度上可以被旋转第二扭曲角。在一些实施例中，所述第二扭曲角可以是所述第一扭曲角的对角。同样，所述第二偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第二厚度上可以具有连续可变的相移，所述连续可变的相移可以与所述第一偏振光栅层在所述第一厚度上的局部各向异性图案的相移相反。例如，所述第二扭曲角可以是大约+70度，而所述第一扭曲角可以是大约-70度。在其它实施例中，所述第一和第二偏振光栅层的分子各自的取向可以沿其间的界面对准。衬底可以是透射衬底。在一些实施例中，所述第一偏振光栅层可以是第一手性液晶层，所述第一手性液晶层在其中包括具有所述第一扭曲方向的手性液晶分子。所述第二偏振光栅层可以是第二手性液晶层，所述第二手性液晶层在其中包括具有所述第二扭曲方向的手性液晶分子。在其它实施例中，所述第一和第二偏振光栅层中的至少一个可以是可聚合液晶层。在一些实施例中，所述第一和第二偏振光栅层中的另一个可以是非反应型液晶层。例如，所述非反应型液晶层可以是向列液晶层。在其它实施例中，所述第一和第二偏振光栅层的所述第一和/或第二厚度可以被配置成提供在所述偏振光栅的工作波长范围内的光的半波延迟。在一些实施例中，所述偏振光栅可以进一步包括在所述衬底上的第一对准层，所述第一对准层在其中具有第一周期性对准条件。所述第一偏振光栅层可以在所述第一对准层上，并且所述第一偏振光栅层的分子可以根据所述对准层的第一周期性对准条件被对准。在其它实施例中，所述偏振光栅可以包括在所述第一对准层对面的在所述第一偏振光栅层上的在其中具有第二周期性对准条件的第二对准层。所述第一偏振光栅层可以是在所述第一和第二对准层之间的非反应型液晶层。所述非反应型液晶层可以包括具有各自的相对取向的液晶分子，所述各自的相对取向在所述厚度上被旋转与所述第一和第二对准层的所述第一和第二周期性对准条件之间的相对相角不同的扭曲角。根据本发明的其它实施例，形成偏振光栅的方法包括形成衬底、以及在所述衬底上形成第一偏振光栅层。所述第一偏振光栅层包括分子结构，所述分子结构在所述第一偏振光栅层的对立面之间限定的第一厚度上根据第一扭曲方向被扭曲。在一些实施例中，所述第一偏振光栅层可以被形成为包括具有各自的相对取向的分子，所述各自的相对取向在所述第一厚度上被旋转第一扭曲角使得所述第一偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第一厚度上具有连续可变的相移。而且，所述衬底可以是反射衬底。在其它实施例中，可以在所述第一偏振光栅层上形成第二偏振光栅层。所述第二偏振光栅层可以包括分子结构，所述分子结构在所述第二偏振光栅层的对立面之间限定的第二厚度上根据与所述第一扭曲方向相反的第二扭曲方向被扭曲。特别地，所述第一偏振光栅层可以被如此形成使得所述第一偏振光栅层的分子的各自取向在所述第一厚度上可以被旋转第一扭曲角，同样地，所述第二偏振光栅层可以被如此形成使得所述第二偏振光栅层的分子的各自取向在所述第二厚度上可以被旋转第二扭曲角。在一些实施例中，所述第二偏振光栅层可以被形成在所述第一偏振光栅层上使得所述第一和第二偏振光栅层的分子的各自取向沿其间的界面对准。所述衬底可以是透射衬底。在其它实施例中，形成所述第一偏振光栅层可以包括利用具有所述第一扭曲方向的手性液晶分子掺杂第一液晶层。而且，形成所述第二偏振光栅层可以包括利用具有所述第二扭曲方向的手性液晶分子掺杂第二液晶层。在一些实施例中，第一对准层可以形成在衬底上。所述第一对准层可以在其中具有第一周期性对准条件。所述第一偏振光栅层可以直接形成在所述第一对准层上使得所述第一偏振光栅层的分子根据所述第一周期性对准条件被对准。然后，所述第二偏振光栅层可以形成在所述第一偏振光栅层上。在其它实施例中，所述第一偏振光栅层可以是可聚合液晶层。所述可聚合液晶层可以在于其上形成所述第二偏振光栅层之前在所述第一对准层上被光聚合。在一些实施例中，第二对准层可以形成在第二衬底上。所述第二对准层可以在其中具有第二周期性对准条件。在其上包括所述第二对准层的第二衬底可以被组装得邻近所述第一偏振光栅层以在所述第二对准层和所述第一对准层之间限定间隙，并且所述第二偏振光栅层可以形成在所述间隙中。例如，所述第二偏振光栅层可以是非反应型液晶层。在其它实施例中，所述第二偏振光栅层可以是可聚合液晶层。在一些实施例中，所述第一和第二偏振光栅层的所述第一和/或第二厚度可以被配置成提供在所述偏振光栅的工作波长范围内的光的半波延迟。根据本发明的另外的实施例，可转换的偏振光栅包括包含第一周期性对准条件的第一衬底、包含第二周期性对准条件的第二衬底、以及在所述第一和第二衬底之间的液晶层。所述液晶层包括具有各自的相对取向的液晶分子，所述各自的相对取向在其对立面之间限定的厚度上被旋转与所述第一和第二周期性对准条件之间的相对相角不同的扭曲角。在一些实施例中，所述第二周期性对准条件可以相对于所述第一周期性对准条件异相。在其它实施例中，所述液晶层可以是在其中包含具有扭曲方向的手性掺杂剂的向列液晶层，所述手性掺杂剂被配置成在其厚度上将所述液晶层的分子结构扭曲所述扭曲角。在一些实施例中，所述液晶分子可以根据所述第一和第二对准层的所述第一和第二对准条件在其间的相应界面处被对准。所述液晶分子也可以在所述液晶层的所述厚度上被旋转所述扭曲角使得所述液晶层在其中包括弹性能应变。在其它实施例中，所述相角可以是大约70o到大约360o。而且，所述扭曲角可以是大约70o到大约360o。仍根据本发明的另外的实施例，制造可转换的偏振光栅的方法包括形成包含第一周期性对准条件的第一衬底、包含第二周期性对准条件的第二衬底、以及在所述第一和第二衬底上形成液晶层。所述液晶层包括具有各自的相对取向的液晶分子，所述相对取向在其对立面之间限定的厚度上被旋转与所述第一和第二周期性对准条件之间的相对相角不同的扭曲角。在一些实施例中，第一对准层可以形成在所述第一衬底上并且被图案化以在其中限定所述第一周期性对准条件。而且，第二对准层可以形成在第二衬底上并且被图案化以在其中限定所述第二周期性对准条件，所述第二周期性对准条件相对于所述第一周期性对准条件异相。在其它实施例中，液晶层可以是向列液晶层。所述向列液晶层可以利用具有扭曲方向的手性分子进行掺杂，所述手性分子被配置成在其厚度上将所述液晶层的分子结构扭曲所述扭曲角。在一些实施例中，所述液晶层可以被如此形成使得其分子可以根据所述第一和第二对准层的所述第一和第二对准条件在其间的相应界面处被对准并且可以在液晶层的所述厚度上被旋转所述扭曲角使得所述液晶层在其中具有弹性能应变。根据下列附图和详细描述，根据一些实施例的其它装置和/或制造方法对本领域技术人员将变得显而易见。意图是所有这些另外的方法和/或装置被包含在该描述内、在本发明的范围内、以及受所附权利要求的保护。附图说明图1A是示出根据本发明的一些实施例的偏振光栅的透视图。图1B是示出根据本发明的一些实施例的偏振光栅的顶视图。图1C是示出根据本发明的一些实施例的偏振光栅的侧视图。图1D是示出根据本发明的另外的实施例的偏振光栅的侧视图。图2是示出用来模拟根据本发明的一些实施例的偏振光栅的特性的模型的图。图3、4A和4B是基于模拟结果的示出根据本发明的一些实施例的偏振光栅的特性的曲线图。图5A-5E是示出根据本发明的一些实施例的制造偏振光栅的方法和这样制造的装置的截面图。图6A和6B是基于实验结果的示出根据一些实施例的偏振光栅的特性的曲线图。图7A-7D是示出根据本发明的另外的实施例的制造偏振光栅的方法和这样制造的装置的截面图。图8A-8E是示出根据本发明的另外的实施例的偏振光栅的电光特性的曲线图。具体实施方式下文中参考附图更充分地描述本发明，其中本发明的实施例被示出。然而本发明可以以许多不同的形式来具体实施并且不应当被解释为局限于在此所述的实施例。更确切地说，这些实施例被提供以便该公开是全面和完整的，并且完全将本发明的范围传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚起见，层和区域的尺寸和相对尺寸可以被放大。从头到尾类似的数字指的是类似的元件。将被理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在此可以被用来描述多种元件、部件、区域、层和/或剖面，但是这些元件、部件、区域、层和/或剖面不应当受这些术语限制。这些术语仅被用来区别一个元件、部件、区域、层或剖面与另一个区域、层或剖面。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或剖面可以被称作第二元件、部件、区域、层或剖面。空间相关术语例如“在……之下”、“在……下面”、“下部”、“在……下”、“在……上”、“上部”等为了描述容易在这里可以被用来描述附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。将被理解的是，所述空间相关术语旨在除了附图中描述的取向之外还包含使用或工作中的装置的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征“之下”或“下面”或“下”的元件将被定向为所述其它元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可以既包含上取向又包含下取向。装置可以被另外定向（被旋转90o或处于其它取向）并且这里使用的空间相关描述符被相应地解释。另外，也将被理解的是，当层被称为在两层“之间”时，它可能是所述两层之间的唯一层，或者一个或多个插入层也可以存在。在此使用的术语仅是为了描述特定实施例并且并不旨在限制本发明。正如在此所用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。将被进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时表示存在规定的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件，但是不排除其一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件、和/或组的存在或附加。正如在此所使用的，术语“和/或”包括所述相关列出项的一个或多个的任何或所有组合。将被理解的是，当元件或层被称为“在……之上”、“连接到”、“耦合到”、或“邻近”另一个元件或层时，它可以直接在该另一个元件或层之上、与该另一个元件或层连接、与该另一个元件或层耦合、或邻近于该另一个元件或层，或者可以存在插入元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在……之上”、“直接连接到”、“直接耦合到”、或“直接邻近于”另一个元件或层时，不存在插入元件或层。在此参考截面图描述本发明的实施例，所述截面图是本发明的理想化实施例（和中间结构）的示意图。同样，会预料到由于利用制造技术和/或容差导致的图示形状的变型。因此，本发明的实施例不应当被解释为局限于在此所示区域的特定形状，而是将包括例如由制造所导致的形状偏离。因此，附图中所示的区域本质上是示意性的并且它们的形状并不旨在示出装置的实际形状并且不想限制本发明的范围。除非另外限定，在此所用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属领域技术人员通常理解的相同意思。将被进一步理解的是，例如在通常使用的字典中被限定的那些的术语应当被解释为具有这样的意思，所述意思与它们在相关领域和/或本说明书的情况下的意思一致，并且将不在理想化或过度正式的意义上被解释，除非这里明确这样限定。将被本领域技术人员理解的是，正如在此所用的，“透射”或“透明”衬底可以允许入射光的至少一些通过其。因此，在一些实施例中透明衬底可以是玻璃衬底。相比之下，在此描述的“反射”衬底可以反射入射光的至少一些。而且，“可聚合液晶”可以指分子量相对低的液晶材料，所述液晶材料可以被聚合并且在此也可以被描述为活性液晶元（reactivemesogen）。相比之下，“非反应型液晶”可以指不能被聚合的分子量相对低的液晶材料。在此参考液晶（LC）材料和包含其的偏振光栅描述本发明的实施例。正如在此所用的，液晶可以具有向列相、手性向列相、近晶相、铁电相、和/或另外的相。另外，许多可光聚合的聚合物可以被用作对准层以制造在此描述的偏振光栅。除了是可光聚合的之外，这些材料还可以相对于LC是惰性的、应当在LC装置的工作温度范围内（例如从大约-50℃到大约100℃）提供稳定的对准、并且应当可以与在此描述的制造方法兼容。可光聚合的聚合物的一些实例包括聚酰亚胺（例如可以在市场上从JSRMicro,Inc(Sunnyvale,Calif.)得到的AL1254）、可以从BrewerScience,Inc.(Rolla,Mo.)得到的NissanRN-1199、以及肉桂酸盐（例如M.Schadt等人在"Surface-InducedParallelAlignmentofLiquidCrystalsbyLinearlyPolymerizedPhotopolymers,"Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.31(1992),pp.2155-2164中描述的聚乙烯4-甲氧基肉桂酸（polyvinyl4-methoxy-cinnamate））。可光聚合的聚合物的另一个实例是可以在市场上从VanticoInc.(LosAngeles,Calif.)得到的Staralign.TM.。另外的实例包括查耳酮环氧（chalcone-epoxy）材料，例如由DongHoonChoi和合作者在"Photo-alignmentofLow-molecularMassNematicLiquidCrystalsonPhotochemicallyBifunctionalChalcone-epoxyFilmbyIrradiationofaLinearlyPolarizedUV,"Bull.KoreanChem.Soc,Vol.23,No.4587(2002)中公开的那些，和香豆素侧链型聚酰亚胺，例如由M.Ree和合作者在"Alignmentbehaviorofliquid-crystalsonthinfilmsofphotosensitivepolymers-EffectsofphotoreactivegroupandUV-exposure,"Synth.Met.,Vol.117(1-3),pp.273-5(2001)中公开的那些（利用这些材料，LC几乎垂直于偏振的方向对准）。液晶对准方法的附加实例也在Crawford等人的美国专利No.7,196,758中被讨论。此外，在此描述的一些结构可以包括通过旋涂工艺和液晶材料的平衡的精确制造。本发明的一些实施例所使用的另外的结构和/或方法在Escuti等人的PCT公开号No.WO2006/092758中被讨论，在此通过引用并入其全部内容作为参考。本发明的一些实施例提供能够利用偏振光栅实现消色差（宽带）、高对比度衍射的方法和装置，所述偏振光栅沿其厚度具有扭曲的分子结构。例如，在一些实施例中，可以通过利用相反扭曲方向的两个液晶偏振光栅层实现高对比度消色差衍射，所述相反的扭曲方向在它们各自的厚度上横向偏移或相对于彼此产生相移。更具体地，具有半波延迟厚度和70o扭曲的第一偏振光栅与透射衬底上具有-70o扭曲的第二偏振光栅层叠。另外，当所述第一层被具体化为非反应型液晶层并且所述第二层被具体化为可聚合液晶层（分别具有大约＋70o和大约-70o的扭曲角）时，所述光栅可以是可转换的，并且可以提供适于在液晶显示器（LCD）中使用的空间光调制器。在其它实施例中，在其厚度上具有70o扭曲角的单一聚合物或非反应型液晶偏振光栅层可以形成在反射衬底上以提供类似的结果。在以上实施例中的任何一个中也可以使用其它扭曲角。相比之下，虽然单层偏振光栅可以调制非偏振光，但是它的高对比度操作可能局限于非常狭窄的输入光。因此，尽管在许多应用中存在宽带光，本发明的一些实施例可以被用来提供与现有技术相比基本上更高的对比度和/或亮度。另外，在根据本发明的一些实施例的低扭曲液晶偏振光栅中，有可能平衡LC的手性扭曲与衬底的偏移角以便实现电光曲线的增强的非线性响应。因此，可以使用较少花费和/或较小功率的无源矩阵寻址方案，而不是可能在每个像素内都需要TFT的有源矩阵寻址方案。这样的寻址方案可以在例如便携式应用中提供重大优势。图1A到1D示出根据本发明的一些实施例的偏振光栅。如图1A中所示，在第一偏振光栅层PG1101上形成第二偏振光栅层PG2102以形成多层结构105。所述第一和第二偏振光栅层PG1101和PG2102是具有分子结构的手性液晶层，所述分子结构具有相对于彼此相反的扭曲方向。换句话说，所述第一和第二偏振光栅层PG1101和PG2102包括相反旋向性（handedness）的手性分子（即具有不同的左旋和右旋形式的不对称分子）。同样，在一些实施例中，所述第二偏振光栅层PG2102在厚度d2上具有它的局部各向异性图案的相移，所述局部各向异性图案的相移与所述第一偏振光栅层PG1101在厚度d1上的局部各向异性图案的相移相反。所述厚度d1和d2分别被限定在所述第一和第二偏振光栅层PG1101和PG2102的对立面之间。更具体地，如图1B和1C中所示，与所述第一偏振光栅层PG1101的分子（右旋）相比，所述第二偏振光栅层PG2102的分子具有相反的旋向性（左旋）。例如，所述第一偏振光栅层PG1101可以利用手性分子掺杂使得其中的分子的取向可以在所述层PG1101的厚度d1上被旋转或被“扭曲”扭曲角θtwist，并且所述第二偏振光栅层PG2102可以利用另一种手性分子掺杂使得其中的分子的取向在所述层PG2102的厚度d2上被“扭曲”相反的扭曲角-θtwist。在一些实施例中，所述第二偏振光栅层PG2102可以具有大约-70o的扭曲角θtwist，而所述第一偏振光栅层PG1101可以具有大约70o的扭曲角θtwist。在这样的实施例中，所述第一偏振光栅层PG1101的厚度d1可以基本上等于所述第二偏振光栅层PG2102的厚度d2。在制造所述第一和第二偏振光栅层PG1101和PG2102的过程中，向列LC混合物可以利用手性LC分子掺杂，所述手性LC分子被配置成在其中引起相应的扭曲角而没有大量缺陷。可以通过改变手性掺杂剂的数量和/或偏振光栅层的厚度来改变扭曲角θtwist。在每个偏振光栅的厚度上每个偏振光栅中的分子的“扭曲”可以在局部各向异性图案中提供连续相移。正如在图1C中进一步示出的，所述第一和第二偏振光栅层PG1101和PG2102的分子在其间的界面处被对准或同相。在一些实施例中，所述第一和第二偏振光栅层PG1101和PG2102可以是单衬底聚合物层，例如活性液晶元（即可聚合液晶）层。例如，所述第一偏振光栅层PG1101可以通过在暴露的光对准层115上旋铸（spin-casting）第一手性LC材料（被掺杂以提供预定的旋向性或扭曲方向）被形成使得它达到在所述偏振光栅的工作中使用的光的半波厚度。可以通过公知技术在透明衬底例如玻璃衬底110a上形成并且图案化所述光对准层115，在此将不进一步讨论所述公知技术。被掺杂以提供相反旋向性/扭曲方向的第二手性LC混合物可以直接施加在所述第一层PG1101上直到它也具有用以形成所述第二偏振光栅层PG2102的半波厚度为止。在其它实施例中，可以形成可转换的液晶偏振光栅。更具体地，所述第二偏振光栅层PG2102可以如上所述地被形成为具有预定旋向性或扭曲方向（例如-70o）。在其上包括暴露的光对准材料115的相反透射衬底（例如玻璃衬底110a）可以被层叠到所述第二偏振光栅层PG2102，并且单元间隙对应于半波单元厚度。所述光对准材料115可以包括周期性对准条件，所述周期性对准条件基于所述第二偏振光栅层PG2102的扭曲方向偏移。所述间隙可以被填充具有相反扭曲方向（例如＋70o）的手性向列LC材料以提供液晶层作为光对准层115和所述第二偏振光栅层PG2102之间的偏振层PG1101，并且由此限定可转换的液晶偏振光栅。图1D示出根据本发明的另外的实施例的偏振光栅。图1D的偏振光栅包括形成在衬底（例如反射衬底110b）上的单偏振光栅层PG1101。例如，所述偏振光栅层PG1101可以形成在所述反射衬底110b上的暴露的光对准层115上使得它达到在所述偏振光栅的工作中使用的光的半波厚度。如上所讨论的，所述偏振光栅层PG1101可以利用手性分子进行掺杂使得其中的分子的取向可以在所述层PG1101的厚度d1上被旋转或被“扭曲”扭曲角θtwist以在局部各向异性图案中提供连续的相移。所述偏振光栅层PG1101可以具有大约70℃的扭曲角θtwist。然而，可以通过改变手性掺杂剂的量和/或所述偏振光栅层PG1101的厚度来改变所述扭曲角θtwist。在一些实施例中，所述偏振光栅层PG1101可以是可聚合液晶层，而在其它实施例中，所述偏振光栅层PG1101可以是非反应型液晶层以提供可转换的液晶偏振光栅。因为由于存在反射衬底110b，操作光可以通过所述偏振光栅层PG1101两次（在入射和反射时），所以图1D的单层偏振光栅可以以类似于图1C的两层偏振光栅的方式光学地起作用，所述图1C的两层偏振光栅将在下面进一步详细讨论。因此，本发明的一些实施例提供衍射光学元件，其中可以在宽的光谱范围内控制被透射的光的方向和/或偏振状态。这些衍射光学元件可以在例如显示器应用中使用以提供与背光的更有效的外耦合、与偏振无关的像素设计、和/或光循环。根据本发明的一些实施例的偏振光栅（PG）可以是各向异性周期性结构、可以表现出唯一的衍射特性（例如具有特殊偏振并且高达100％效率的三个可能的阶（0和±1））、并且可以支持许多应用。常规PG可以在中心波长的大约7％的光谱范围内以相对较高的效率衍射。相比之下，根据本发明的一些实施例的消色差PG可以在该带宽中提供高达大约五倍的增加，并且可以在大部分可见光谱范围内以高达大约100％的效率衍射，甚至在宽带照明（例如白光）的情况下。特别地，根据本发明的一些实施例的PG可以包括至少两个手性液晶层，每一个具有相对适度的扭曲角（例如70o）和相反的扭曲方向。由于PG作为基本偏振全息图被引入，它们的衍射特性已经被研究。例如，PG的应用可以包括偏振测量和超光谱偏振测定。向列液晶（LCs）可以创建具有线性双折射率的连续构造的PG。利用该方法，基本无缺陷的、可转换的PG可以被制造成具有期望的衍射特性和/或相对低的散射。因此，可转换的PG可以被用作与偏振无关的调制器。常规（“圆形”类型）PG可以包括空间变量单轴双折射率（即n(x)=[cos(πx/Λ)，sin(πx/Λ)，0]）。在垂直入射下的理想衍射效率可以导出如下：其中ηm是第m阶的衍射效率，λ是入射光的真空波长，△n是线性双折射率，d是光栅厚度，以及S'3=S3/S0是对应于入射光的椭圆率的标准化Strokes（行程）参数。可以存在三个阶（0和±1），并且所述第一阶可以拥有正交圆偏振（左旋和右旋）。PG的衍射行为可以取决于波长（通过等式（1）中的△nd/λ）。再次参考图1B和1C，根据本发明的一些实施例的包括两层扭曲结构的PG的消色差性能可以跨越相对宽的光谱宽度提供高达100％的效率，例如高达中心波长的大约34.3％。这表示与常规PG的消色差性能相比增加了大约五倍，所述常规PG的消色差性能可以提供中心波长的大约6.8％的光谱宽度。因此，可以通过组合具有相反扭曲方向的两个扭曲PG来实现PG衍射的消色差性（achromacity）。扭曲PG的宽带衍射的一些设计参数可以包括每个PG层的厚度d和扭曲角θtwist。已经利用有限差分时域（FDTD）方法和特别开发用于周期性各向异性介质的开放源码软件包证明了这些参数的作用。因此，对于利用偏振全息照相术和光对准技术被形成为可聚合液晶膜的消色差PG，在下面参考图2-6讨论初步实验结果。图2示出以上描述的FDTD模拟空间的基本几何结构。梯度指数抗反射（AR）涂层206可以在空气-偏振光栅界面处被施加到偏振光栅PG201以减小和/或最小化菲涅耳损耗。可以采用周期性边界207和利用单轴完美匹配层（UPML）技术匹配的层边界208来终止模拟空间和/或减小模拟时间。输入/入射平面波209可以是正好放置在所述光栅结构之前的具有垂直线偏振的高斯脉冲平面波（即宽带源），并且输出衍射效率可以由直接在所述光栅之后的线211处的电场来计算。近到远的光学转换和时间傅立叶变换可以用来分析远场中的光谱衍射特性。正如在此所用的，高PG效率的光谱范围△λ（以波长为单位）被限定为这样的波长的范围，在所述波长的范围内全部第一阶衍射∑η±1大于大约99.5％。标准化带宽△λ/λcenter（以％为单位）被限定为光谱范围与其中心波长λcenter的比率。图3示出表明对于从0o到90o的不同扭曲角范围的单层扭曲PG的衍射特性的模拟结果。同样，所述数据对于右旋向性和左旋向性可以是相同的。更具体地，图3示出第一阶效率的和（∑η±1）与对于不同扭曲角（θtwist）0o、30o、60o、70o、和90o的标准化延迟（△nd/λ）的关系曲线，分别由波形301、302、303、304、和305表示。如图3中所示，最大高效带宽出现在常规PG的情况下（即由波形301示出，其中θtwist＝0o）,并且导致△λ/λcenter＝6.8％。因此，由于除了很小的扭曲角以外可以不满足绝热跟随（adiabatic-following）条件（也称为波导），随着扭曲角的增加可能导致效率退化。然而，在输出中仅存在0和±1阶并且所述第一阶偏振变得愈加椭圆（与圆相对比）。然而，根据本发明的一些实施例通过堆叠具有相反扭曲方向的两个扭曲PG可以提供高的衍射效率（即高达大约100％）。两个PG层的光学特性可以基本类似或相同（除了扭曲的方向以外）。同样，第二层可以补偿第一扭曲结构的偏振效应。因此消色差效应可以在质量上被描述为局部延迟补偿。图4A示出表明在大约0o到大约90o的范围内改变扭曲角的情况下根据本发明的一些实施例的具有相反扭曲方向的两层扭曲结构的衍射特性的模拟结果。更具体地，图4A示出作为不同θtwist值0o、30o、60o、70o、和90o的标准化延迟（△nd/λ）的函数的第一阶效率（∑η±1），分别由波形401、402、403、404、和405表示。当θtwist＝70o时可以实现最大带宽△λ/λmax＝34.3％，如图4B中进一步示出的。更具体地，图4B的灰度级示出模拟的衍射效率，并且带宽△λ/λcenter在所示区域上处在最大值。因此，与常规PG相比，可以在最大衍射带宽中增加大约五倍。由于衍射带宽可能对扭曲角敏感，所以小心控制θtwist对提供改善的带宽性能可能是重要的。在一些实施例中，根据本发明的一些实施例的消色差PG可以利用偏振全息照相术和光对准技术的组合被形成为可聚合液晶膜。基本无缺陷的RMPG可以基于材料和处理优化被制造成具有相对高的效率和/或低散射。如图5A-5E中所示，可聚合液晶PG501和502的制造可以进行如下。如图5A中所示，光对准材料的相对薄的层515被涂在衬底505上。在一些实施例中，衬底505可以是透射或透明衬底，例如玻璃衬底。然而，在其它实施例中，衬底505可以是反射衬底。利用来自激光的具有正交圆偏振的相干光束509以相对较小的角度曝光或图案化衬底505以提供具有基本恒定的强度的偏振干涉图案516，如图5B所示。在图5C中，具有第一扭曲方向的第一RM层501形成在光对准层515上并且根据表面图案516被对准。例如，第一RM混合物可以利用第一手性掺杂剂掺杂并且被旋铸（spin-cast）到所述光对准层上以提供所述第一RM层501。例如利用全面紫外线（UV）曝光519光聚合所述第一RM层501以永久固定大结构的光学各向异性，如图5D中所示。在图5E中，具有相反扭曲方向的第二RM层502形成在所述第一RM层501上。例如，第二RM混合物可以利用第二手性掺杂剂掺杂、被旋铸到所述第一RM层501上、并且被光聚合以提供所述第二RM层502。所述第二RM层502根据所述第一RM层501在其间的界面处的对准被对准。仍然参考图5A-5E，在一些实施例中，线性可光聚合聚合物（LPP），例如ROP-103（Rolic），可以被用作光对准材料515。具有正交圆偏振光束的HeCd激光器（325nm）可以被用来在所述光对准层515上进行曝光或形成具有Λ＝8.5μm的周期的表面对准图案。在光对准曝光后，可以通过旋涂在衬底505上的光对准层515上沉积所述第一和第二RM膜501和502。所述第一RM层501可以是由RMS03-001（Merck，在589nm处△n~0.159）与少量（0.25％）的手性掺杂剂CB15（Merck，右旋向性）构成的混合物，并且可以被如此选择使得所述第一RM层501的厚度d1达到半波厚度（d＝λ/2△n）并且θtwist＝70o。所述第二RM层502可以直接沉积在所述第一RM层501的顶部上，并且可以由利用少量（0.34％）不同手性掺杂剂ZLI-811（Merck，左旋向性）掺杂的RMS03-001在相同的厚度和相反扭曲条件下构成。因此，根据本发明的一些实施例的偏振光栅的最终光栅厚度可以是2d，因为所述两层501和502可以被堆叠，每一个具有大约半波厚度的厚度d。图6A提供利用分光光度计测量的示出常规PG（由波形610示出）和根据本发明的一些实施例的消色差PG（由波形620示出）的零阶效率光谱的实验结果。也可以提供洁净载玻片的测量透射率（即大约100％，由波形630示出），并且该测量透射率是在与所述PG基本类似的条件下测量的。由常规PG（610'）和根据本发明的一些实施例的消色差PG（620'）的零阶计算的估计的衍射效率（∑η±1≈1-η0）的光谱在图6B中被画出。正如由图3和4A-4B的FDTD模拟结果预期的，衍射带宽中的显著的改善在图6A和6B中示出。对于常规PG和根据本发明的一些实施例的消色差PG也利用红光（633nm）、绿光（532nm）、和蓝光（473nm）激光器测量在三个波长处的效率以确认图6B中所示的估计效率。正如在此所使用的，衍射效率被定义为ηm＝Im/IREF，其中Im是第m透射衍射阶的测量的强度，并且其中IREF是玻璃衬底的参考透射强度。通过比较所述衍射谱与所述洁净载玻片在400nm以上所述非相干散射被粗略测量为大约2％或以下。因此，根据本发明的一些实施例的包括具有相反扭曲方向的至少两个层的消色差PG可以提供衍射特性，例如三个衍射阶（0，±1）、第一阶的正交圆偏振、和/或高度偏振敏感的第一阶（其可以与Stokes（斯托克斯）参数线性地成比例）。另外，入射圆偏振光可以将高达大约100％的效率引入到所述第一阶之一中，并且线性入射偏振或非偏振输入可以将高达大约50％的效率到所述第一阶的每一个中。与其它LC光栅（即聚合物-壁LC光栅和/或HPDLC光栅）相比，根据本发明的一些实施例的消色差PG可以提供可比得上的或更高的实验衍射效率、和/或较低的非相干散射。同样，根据本发明的一些实施例的消色差PG可以使厚（布拉格）光栅的高效率在可见光的几乎整个范围内出现。当被用作显示器中的光学元件时，根据本发明的一些实施例的消色差PG可以与其它光学元件集成，这可以产生更紧凑和高效的显示器。这些衍射光学元件也可以用于光束分离、偏振测定等等。另外，类似的消色差PG设计可以被实施成为调制器应用提供可转换的LC光栅。更具体地，可以利用非反应型向列液晶材料实现所述两个扭曲PG层中的一个，并且整个结构可以放置在衬底与电极之间以提供可转换的LC光栅。根据本发明的一些实施例的包括具有相反扭曲方向的至少两个层的消色差PG由此可以在宽的光谱范围内实现相对较高的效率，并且同样可以在显示技术中提供宽范围的潜在应用以基于它的独特衍射行为提供更有效的光控制。更具体地，这样的薄膜消色差PG在透射光（对于宽的光谱带宽）的方向、强度、和/或偏振状态方面可以充分提供比常规衍射光栅多得多的功能控制，并且可以在许多遥感应用中提供潜在好处。另外，可以利用已知的薄膜技术和/或已知的液晶材料制造根据本发明的一些实施例的消色差PG以创建在与偏振无关的微显示器例如便携式投影显示器、消费电视机、实时全息照相等等中使用的改善的空间光调制器元件。此外，在一些情况下，根据本发明的一些实施例的消色差PG可以在预期中心波长的高达大约45％的波长范围内提高高对比度调制，与常规单偏振光栅相比，这可以产生高达900％的改善。因此，在显示器应用中，图像质量可以被大大改善。此外，根据本发明的一些实施例的消色差PG可以被用来提供图像偏振干涉计。由于所述PG可以产生三个衍射阶并且第一阶中的每一个可以具有偏振灵敏度，因此所述PG和波片的组合可以允许正交偏振信息分成两个衍射阶。因此，通过组合所述PG的该偏振选择性和色散可以提供小型分光偏振计。例如，代替测量每个衍射阶的强度，相同的偏振信息（即Stokes参数）可以从穿过两个基本相同的PG的两个衍射束的干涉图提取。更具体地，所述第一PG可以将包含光谱图像的光束分成两个第一阶，并且所述第二PG可以平行地改变光束方向。在行进彼此成直角的λ/2-波片后，每个衍射光束的偏振状态可以被转换到相同的线性偏振。通过将两个衍射光束聚焦到探测器所在的相同图像平面上可以获得干涉图案。本发明的另外的实施例提供可转换的液晶偏振光栅（LCPG），可以利用无源矩阵寻址方案在像素级控制所述可转换的液晶偏振光栅（LCPG）。无源矩阵寻址可以采用行与列电压平均方法来减小和/或消除在每个单独像素内对薄膜晶体管（TFT）的需求，所述薄膜晶体管用在较高成本的有源矩阵寻址中。因此，可以在需要低功率和低成本的LCD（例如蜂窝式电话和PDA）中使用无源矩阵寻址。然而，在LCPG中实施无源矩阵寻址可能需要相对陡的电光响应曲线。相比之下，常规LCPG技术可能具有相对较差的电光响应曲线，并且同样地，可能不适合供无源矩阵寻址使用。因此，本发明的一些实施例提供具有陡得多（在斜率上）的电光响应曲线的可转换的LCPG，这可以改善能够从大约1行到大约100行以上被无源寻址的行的数目。这可以比得上基于超扭曲向列（STN）配置的常规蜂窝式电话LCD。图7A-7D是示出制造根据本发明的另外的实施例如此制造的LCPG和装置的方法的截面图。现在参考图7A，相对薄的对准层715a和715b分别形成在第一和第二衬底705和710上。所述第一和/或第二衬底705和/或710可以由透射或透明材料例如玻璃形成。每个衬底也可以包括透明导电电极（未示出）。在图7B中，在每个衬底上的对准层715a和715b被图案化以便在每个衬底上提供周期性对准条件。例如，所述对准层可以是在其中包含可光聚合的聚合物的光对准层，并且可以利用正交圆偏振激光束709a和709b被利用全息照相术（holographically）图案化。所述第一和/或第二衬底705a和/或710b如图7C中所示那样被装配使得相应的对准层715a和715b的周期性对准条件偏移了相对相角Φt。因此，如图7D中所示，具有预定扭曲方向的液晶层725形成在所述第一和第二衬底之间的单元间隙721中。所述液晶层可以是利用手性分子掺杂的单层向列LC以在所述单元间隙721的厚度d上提供特定扭曲Φc。换句话说，所述扭曲角Φc可以在所述液晶层的厚度d上在局部各向异性图案中提供连续可变的相移。所述液晶层725的分子也可以基于光对准层中的对准条件被对准。因此，当扭曲角Φc与衬底偏移角Φt不同时，可能在所述液晶层中产生弹性能应变，这会导致更加非线性的转换行为。就STN显示器而言，这可以通过计算作为施加电压的函数的中间层倾角来被量化，如在图8A-8E的实例模拟结果中进一步示出的。图8A-8E示出根据本发明的一些实施例的LCPG的电光响应。如图8A-8E中所示，由于所述扭曲角Φc相对于衬底偏移角Φt被改变，因此可以获得相对陡的电光响应。更具体地，正如在图8A中所示的，基线曲线（Φt＝0o，Φc＝0o到89o）可能不适于供无源寻址使用，因为它可能仅能够使大约1行具有相对好的对比度。如图8B中进一步示出的，在所述设计（Φt＝300o，Φc＝240o到345o）的情况下，所述曲线更陡得多。因此，可以无源寻址100行以上。图8C和8D类似地分别示出当Φt＝240o和270o时Φc的变化值的电光响应。关于以上估计的另外的细节可以在thesummaryofSTNdisplayaddressinginSchefferandNehring,AnnualReviewofMaterialScience27,555-583(1997)中以及在AltandPleshko,IEEETrans.Elec.Dev.ED-21,146-155(1974)中找到，在此并入其公开作为参考。图8E示出沿公共组的轴的图8A、8B、和8C的电光响应曲线以进行比较。特别地，曲线805a示出Φt＝0o和Φc＝0o的情形的电光响应。同样地，曲线805b示出Φt＝300o和Φc＝240o的情形的电光响应，而曲线805c示出Φt＝240o和Φc＝180o的情形。因此，图8E说明，可以根据扭曲角Φc和衬底偏移角Φt的变化使响应曲线更陡得多。特别地，所述响应曲线805b为改善的转换行为提供相对陡的斜率，其中相对相角Φt大于或等于大约300o，并且其中扭曲角Φc在大约240o和大约300o之间。一般地说，在一些实施例中，所述相对相角Φt可以是大约70o到大约360o，并且扭曲角Φc可以是大约70o到大约360o。因此，根据本发明的一些实施例的LCPG可以利用手性应变和扭曲结构来提供更加非线性的电光响应曲线。因此，利用无源矩阵寻址方案，根据本发明的一些实施例的LCPG可以更容易地从关断状态切换到导通状态，并且因此可以更加可控。前述说明了本发明并且不被解释为其限制。尽管本发明的一些示范性实施例已经被描述，但是本领域技术人员将容易理解，在不本质上脱离本发明的新颖教导和优点的情况下，在所述示范性实施例中许多修改是可能的。例如，将被理解的是，可以分别利用在一个或两个衬底组件中的不可转换和/或可转换的LC材料制造以上参考图1A-1D和图7A-7D描述的结构。此外，在此描述的衬底可以在其表面上包括一个或多个电极，所述一个或多个电极例如由涂在衬底上的透明氧化铟锡（ITO）提供。因此，所有这样的修改旨在被包含在本发明的范围内。因此，将被理解的是，前述说明了本发明并且不被解释为局限于公开的特定实施例，并且对所述公开的实施例以及其它实施例的修改旨在被包含在本发明的范围内。